JP2006230421A - パワーアシスト型の車いす - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 モータの電流制御部11は、人トルク補償部41の人トルク補償電流と、トルク補償部42の転がり摩擦トルク補償電流、下りトルク補償電流により、モータ電流を制御して、パワーアシストを行う。人トルク補償部41の人トルク補償電流は、同部の倍率Aによって所定のアシスト率に設定する。人トルク分離部32は、外乱トルクオブザーバ部31の外乱トルクから、推定人トルクを分離する。外乱トルクオブザーバ部31は、並進速度・回転角速度の推定計算部52の推定並進速度と左右車輪の回転角速度の推定計算部53の推定回転角速度により外乱トルクを推定する。
【選択図】 図2
Description
請求項2に記載のパワーアシスト型の車いすは、加速度・傾斜角検出部の車いすの加速度と路面の傾斜角を検出し、その加速度により車いすの並進速度と車輪の回転角速度を推定し、その並進速度と回転角速度により外乱トルクを推定し、その外乱トルクから推定人トルクを分離し、その推定人トルクに倍率を乗じたトルクを人トルク補償電流に変換し、その人トルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する、及び前記傾斜角により路面の転がり摩擦トルクと車いすの下りトルクを求め、その転がり摩擦トルクと下りトルクに夫々の補償係数を乗じたトルクを転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流に変換し、その転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する制御システムを備えていることを特徴とする。
請求項3に記載のパワーアシスト型の車いすは、請求項1又は請求項2に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記駆動モータは、2つの車輪の夫々に設けてあり、前記制御システムはモータ毎に設けてあることを特徴とする。
請求項4に記載のパワーアシスト型の車いすは、請求項3に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記2つのモータのいずれか一方のモータの前記制御システムは、前記推定人トルクに2つの車輪の人トルクのバランスを取るバランス補償ゲインを乗じる手段を備えていることを特徴とする。
本願発明は、加速度センサの検出信号に基づいて人トルクを推定するから、搭乗者、介護者のいずれが車いすを操作しても、またいずれの方向から操作しても同じ加速度センサで加速度を検出できる。
本願発明は、路面の傾斜角に基づいて転がり摩擦トルクや下りトルクを求め、所定の補償係数を用いて転がり摩擦補償トルクや下り補償トルクを求めてモータ電流を制御し、パワーアシストを行うから、車いすは、路面の状況に関係なく円滑に走行することができる。
図1(a)は、傾斜角θの斜面に置かれた車いすの側面図であり、図1(b)は、車いすの概要を示す平面図である。
図1において、9は車いす、91l,91rは左右の車輪、92l,92rは左右のハンドリム、93l,93rは左右の車輪の駆動モータ、94は介護者が操作するハンドルである。θは路面の傾斜角、vは車いす9の並進速度、ωrは右車輪91rの回転角速度、ωlは左車輪91lの回転角速度、ωxは車いす9の回転角速度、Dは左右の車輪91l,91rの直径、Wは左右の車輪91l,91rの間隔(距離)である。
左右の車輪93l,93rの車軸は、同一直線に配置し、その中点Mに2軸の加速度センサ(図示せず)を配置してある。車いす9は、傾斜角θの路面を並進速度vで矢印方向へ進む。
図2において、上半分は、右車輪の制御システム、下半分は、左車輪の制御システム、右上の(51〜53)は、左右の車輪に共通の部分である。
ここでは右車輪の制御システムを例に説明する。
電流制御部11は、人トルク補償部41(以下トルク補償部41と呼ぶ)の人トルク補償iarcomp1及び転がり摩擦トルク・下りトルク補償部42(以下トルク補償部42と呼ぶ)の転がり摩擦トルクの補償電流iarcomp2、下りトルクの補償電流iarcomp3によりモータ電流iarがそれらの補償電流の加算した値となるように制御し、モータが所定のパワーアシストを行うように制御する。
モータの電流制御部11のモータ電流iarは、モータ部12においてモータトルクTMrに変換されて機構部21へ供給される。機構部21には、外乱トルク部22の外乱トルクも供給される。外乱トルクには、人が車いすに加えた(入力した)トルク(人トルク)、車輪の転がり摩擦トルク、車いすの下りトルク(車いすが坂を下ろうとするトルク)がある。
なお車いすの左右車輪の回転速度は、加速度センサから得られる信号を積分して得ている。加速度センサや積分計算上の誤差が含まれると、実際の回転速度と計算によって得られた回転速度が異なる。モータには、ロータ位置を検出するためのホールセンサが取付けられているが低分解能であるため短時間に高精度な速度を得ることができない。しかしホールセンサ信号のパルス間隔を計測することで、実モータの正確な左右車輪の回転速度ωr,ωlを検出できる。そこである時間毎に得られる実際の回転速度と計算による回転速度の比kcx,kcyを求め、それらを用いて計算速度を補正することにより、より正確な回転速度を得ることができる。またさらに、実際の回転速度を積分演算の初期値とすることによって、一層正確な回転速度を連続して得ることができる。ここで、ロータ位置とは、ブラシレスDCモータの回転子に取付けた磁石の位置(S極、N極)の正確な位置を知るための回転角である。
外乱トルクオブザーバ部31は、並進速度・回転角速度の推定計算部52(以下推定計算部52と呼ぶ)の推定並進速度(^付v)と左右車輪の回転角速度の推定計算部53(以下推定計算部53と呼ぶ)の推定回転角速度(^付ωr)によってモータトルクと外乱トルクを推定する。また外乱トルクオブザーバ部31は、電流制御部11のモータ電流iarによりモータトルクTMrを得る。外乱トルクオブザーバ部31は、推定したモータトルク、外乱トルクとモータ電流iarから得たモータトルクとにより外乱トルクを抽出する。人トルク分離部32は、外乱トルクオブザーバ部31が抽出した外乱トルクからハイパスフィルタによって推定人トルク(^付THr)を分離する。
加速度・傾斜角検出部51は、車いすに取付けた2軸型加速度センサにより、車いすの進行方向(X軸)の加速度ACCxと90度異なる進行方向(Y軸)の加速度ACCyを検出する。また2軸型加速度センサは、傾斜角度に応じて直流のオフセット電圧を発生するため、その情報を用いて傾斜角θを検出する。2軸型加速度センサによって得られる加速度成分と傾斜角成分は、周波数が異なるため、フィルタによって分離抽出することができる。
推定計算部52は、加速度ACCxと加速度ACCyにより、推定並進速度(^付v)と推定回転角速度(^付ωX)を推定する。左右車輪の回転角速度の推定計算部53(以下推定計算部53と呼ぶ)は、左右車輪の推定回転角速度(^付ωl)と(^付ωr)を推定する。
モータ回転方向検出部61は、回転角速度(^付ωr)により右車輪の回転方向を検出して、トルク補償部42へ供給する。トルク補償部42は、車輪の回転方向により加速か減速かを決める。
なお車いすの左右車輪の回転速度は、加速度センサから得られる信号を積分して得ている。加速度センサや積分計算上の誤差が含まれると、実際の回転速度と計算によって得られた回転速度が異なる。モータには、ロータ位置を検出するためのホールセンサが取付けられているが低分解能であるため短時間に高精度な速度を得ることができない。しかしホールセンサ信号のパルス間隔を計測することで、実モータの正確な左右車輪の回転速度ωr,ωlを検出できる。そこである時間毎に得られる実際の回転速度と計算による回転速度の比kcx,kcyを求め、それらを用いて計算速度を補正することにより、より正確な回転速度を得ることができる。またさらに、実際の回転速度を積分演算の初期値とすることによって、一層正確な回転速度を連続して得ることができる。ここで、ロータ位置とは、ブラシレスDCモータの回転子に取付けた磁石の位置(S極、N極)の正確な位置を知るための回転角である。
図1において、中点Mの並進速度をv、回転角速度をωx、右車輪の回転角速度をωr、左車輪の回転角速度をωl、左右の車輪の間隔(距離)をW、右車輪の半径をRr、左車輪の半径をRl、とすると、
車いすの並進速度v、回転角速度ωxは、次式となる
推定人トルク(^付THr)は、加速度・傾斜角検出部51が検出した加速度ACCxと加速度ACCyにより、次のように求めることができる。
車いすのX軸方向の推定並進速度(^付vx)とY軸方向の推定並進速度(^付vy)は、次の式により求める。
これにより、人トルク分離部32は、推定人トルク(^付THr)を求めることができる。
左車輪の推定人トルク(^付THl)も同様に求めることができる。
右車輪と左車輪の人トルク補償電流iarcomp1,ialcomp1は、推定人トルク(^付THr)、(^付THl)に任意の倍率A(A>1)で増力して次式で求めることができる。倍率Aは、値が大きくなるほど、増力するトルクが大きくなる。A=1は、パワーアシストを行わない状態である。
これにより、トルク補償部41は、人トルク補償電流iarcomp1、ialcomp1を発生する。
図3は、右車輪の制御システムであり、図4は、左車輪の制御システムである。
図3、図4は、機械的パラメータと電気的パラメータを用いて記載した車いすのブロック図である。
ここでは右車輪の制御システムを例に説明する。
電流制御部11のモータ電流iarは、ブロック121によりモータトルクTMrに変換される。モータトルクTMrは、ブロック221の人トルクTHrとブロック222の転がり摩擦トルク、下りトルクとともにブロック213へ供給される。ブロック213には、ブロック211の車いすの空気による粘性制動トルクとブロック212の車軸のベアリング等の粘性制動トルクも供給される。なお車いすの走行速度は速くないから、空気による粘性制動トルクは無視できる。ブロック213は、供給されたトルクを回転角速度ωrに変換する。回転角速度ωrは、ブロック212とブロック122へ供給される。ブロック122は、回転角速度ωrを電圧に変換して電流制御部11へ逆起電力をフィードバックして電流制御を忠実に行っている(原理的にはフィードバックはなくてもよい)。ここでブロック121のKTは、モータのトルク定数(Nm/A)、ブロック122のKEは、モータの逆起電力定数(Vs/rad)、ブロック213のsは、ラプラス演算子、ブロック315,316のτ1は、ローパスフィルタの時定数、ブロック32のτ2は、ハイパスフィルタの時定数である。
電流制御部11は、ブロック412とトルク補償部42の補償電流によりモータ電流iarを制御する。
図4の制御システムは、ブロック413を除き図3の制御システムと同じである。ブロック413は、左右の車輪のトルクのバランスを取るため、推定人トルク(^付THr)にバランス補償ゲインBを乗じて左右の車輪の補償トルクを調整している。
図2のトルク補償部41は、ブロック411,412からなり、図3で説明したように、ブロック411は、推定人トルク(^付THr)を(A−1)倍し,ブロック412は、人トルク補償電流iarcomp1に変換する。図2のトルク補償部42は、ブロック4211,4212、ブロック4221,4222からなる。ブロック4221は、傾斜角θにより転がり摩擦トルクを計算し、ブロック4222は、その転がり摩擦トルクを補償電流iarcomp2に変換する。ブロック4211は、傾斜角θにより下りトルクを計算し、ブロック4212は、その下りトルクを補償電流iarcomp3に変換する。
車いすに設置した2軸加速度センサ510の検出信号から、ローパスフィルタ511とローパスフィルタ512によってX軸情報とY軸情報を取出す。そのX軸情報からローパスフィルタ515とハイパスフィルタ516によって、X軸傾斜角とX軸加速度を検出する。またY軸情報からローパスフィルタ517とハイパスフィルタ518によって、Y軸傾斜角とY軸加速度を検出する。2軸加速度センサ510は、Analog Devices社(米国)のADXL202を使用した。
なお図6は、加速度と傾斜角を1個の加速度センサによって抽出する例について説明したが、加速度センサと傾斜角センサを別々に設置してもよい。
シミュレーションに用いたパラメータは、車いすの質量mは100kg、車輪の直径は0.558m、モータの逆起電力定数KEは3.0Vs/rad、モータのトルク定数KTは3.0Nm/A、モータの電機子抵抗は0.13Ω、モータの電機子インダクタンスは0.005H、ローパスフィルタのτ1は0.001s、ハイパスフィルタのτ2は100s、車軸の粘性制動係数DLは0.1Nms/rad、空気の粘性制動係数DAは0.001Ns/m、転がり摩擦係数μは0.03である。
図7から、実施例の制御システムは、左右の車輪に印加した正弦波状のトルクが正しく推定できていることが分かる。
図8(a)は、倍率A=1、右車輪に人トルクTHr=10.0sin(ωt)、左車輪に人トルクTHl=7.0sin(ωt)の正弦波のプラス成分のトルクを与えた場合、図8(b)は、倍率A=4、右車輪に人トルクTHr=2.5sin(ωt)、左車輪に人トルクTHl=1.75sin(ωt)の正弦波のプラス成分のトルクを与えた場合である。
図8から、実施例の制御システムの推定値は、理論値に略一致しており、パワーアシストが正しく行われていることが分かる。なお前記したように(図2の説明において記載したように)モータの回転速度を用いて計算速度を補正することにより推定値は、理論値と一致する。
12 モータ部
21 機構部
22 外乱トルク部
31 外乱トルクオブザーバ部
32 人トルク分離部
41 人トルク補償部
42 転がり摩擦トルク・下りトルク補償部
51 加速度・傾斜角検出部
52 並進速度・回転角速度の推定計算部
53 左右車輪の回転角速度の推定計算部
61 モータ回転方向検出部
9 車いす
91l,91r 左右の車輪
92l,92r 左右ハンドリム
93l,93r 左右の車輪の駆動モータ
94 ハンドル
Claims (4)
- 加速度・傾斜角検出部により車いすの加速度を検出し、その加速度により車いすの並進速度と車輪の回転角速度を推定し、その並進速度と回転角速度により外乱トルクを推定し、その外乱トルクから推定人トルクを分離し、その推定人トルクに倍率を乗じたトルクを人トルク補償電流に変換し、その人トルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する制御システムを備えていることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
- 加速度・傾斜角検出部の車いすの加速度と路面の傾斜角を検出し、その加速度により車いすの並進速度と車輪の回転角速度を推定し、その並進速度と回転角速度により外乱トルクを推定し、その外乱トルクから推定人トルクを分離し、その推定人トルクに倍率を乗じたトルクを人トルク補償電流に変換し、その人トルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する、及び前記傾斜角により路面の転がり摩擦トルクと車いすの下りトルクを求め、その転がり摩擦トルクと下りトルクに夫々の補償係数を乗じたトルクを転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流に変換し、その転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する制御システムを備えていることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
- 請求項1又は請求項2に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記駆動モータは、2つの車輪の夫々に設けてあり、前記制御システムはモータ毎に設けてあることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
- 請求項3に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記2つのモータのいずれか一方のモータの前記制御システムは、前記推定人トルクに2つの車輪の人トルクのバランスを取るバランス補償ゲインを乗じる手段を備えていることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
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